볼프의 법칙
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1. 개요
볼프의 법칙은 뼈가 가해지는 기계적 부하에 적응하여 구조를 변화시키는 원리를 설명한다. 뼈는 기계적 자극에 반응하여 재형성되며, 하중 부하의 방향으로 잔기둥을 재배열하여 강도를 높인다. 이러한 과정은 기계적 변환을 통해 이루어지며, 골세포, 골아세포, 파골세포와 같은 세포들이 중요한 역할을 한다. 테니스 선수의 팔, 역도 선수의 골밀도 증가, 무중력 환경에서의 골밀도 감소, 사경과 두개안면 발달 등 다양한 사례에서 볼프의 법칙이 나타난다.
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| 볼프의 법칙 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 학문 분야 | 정형외과학, 생체역학 |
| 제안자 | 율리우스 볼프 |
| 제안 시기 | 19세기 |
| 관련 개념 | 골 재형성 |
| 설명 | 뼈는 가해지는 하중에 적응하여 구조와 강도를 변화시킨다는 법칙 |
| 상세 내용 | |
| 기본 원리 | 뼈는 스트레스가 가해지는 방향으로 더 강해지고, 스트레스가 적은 방향으로는 약해짐. |
| 세포 활동 | 파골세포와 조골세포의 활동에 의해 조절됨. |
| 적응 과정 | 뼈는 지속적인 하중 변화에 따라 재형성됨. 뼈의 밀도와 구조가 변화함. |
| 임상적 의의 | 운동선수의 뼈 강화 골다공증 예방 뼈 관련 질환 치료 |
| 역사적 배경 | |
| 초기 연구 | 쿨만(Culmann)과 폰 마이어(von Meyer)의 뼈 단면 이미지 연구 |
| 볼프의 공헌 | 뼈의 구조적 적응에 대한 이론 정립 |
| 현대적 해석 | 뼈의 기능적 적응에 대한 다양한 연구 진행 |
2. 뼈 재형성의 기전
골격 재형성은 하중 부하에 대한 반응으로 이루어지며, 이는 기계적 변환을 통해 달성된다. 기계적 변환은 외부에서 가해지는 기계적 자극을 세포 수준의 생화학적 반응으로 전환하는 과정이다.[6]
2. 1. 기계적 변환의 단계
뼈의 재형성을 유도하는 기계적 변환에는 다음과 같은 단계가 포함된다.[7]1. 기계적 결합
2. 생화학적 결합
3. 신호 전달
4. 세포 반응
골격 구조에 대한 특정 영향은 하중 부하의 지속 시간, 크기 및 속도에 따라 다르며, 주기적인 하중 부하만이 뼈 형성을 유도할 수 있다는 것이 밝혀졌다.[7] 하중이 가해지면 유체는 뼈 기질의 높은 압축 하중 영역에서 멀어진다.[8] 골세포는 뼈에서 가장 풍부한 세포이며, 이러한 기계적 하중으로 인한 유동 흐름에 가장 민감하다.[6] 골세포는 하중을 감지하면 신호 전달 분자 또는 직접적인 접촉을 통해 다른 세포에 신호를 보내 뼈의 재형성을 조절한다.[9] 또한, 골아세포 또는 파골세포로 분화할 수 있는 골전구 세포도 기계 수용체이며, 하중 조건에 따라 분화한다.[9]
계산 모델은 기계적 피드백 루프가 기계적 하중 방향으로 잔기둥을 재배열하여 뼈의 재형성을 안정적으로 조절할 수 있음을 시사한다.[10]
2. 2. 골세포의 역할
골격 재형성은 하중 부하에 대한 반응으로 이루어지며, 이는 기계적 변환을 통해 달성된다. 기계적 변환은 힘 또는 기타 기계적 신호를 세포 신호 전달에서 생화학적 신호로 변환하는 과정이다.[6] 뼈 재형성을 유도하는 기계적 변환에는 기계적 결합, 생화학적 결합, 신호 전달 및 세포 반응 단계가 포함된다.[7] 골격 구조에 대한 특정 영향은 하중 부하의 지속 시간, 크기 및 속도에 따라 다르며, 주기적인 하중 부하만이 뼈 형성을 유도할 수 있다.[7] 하중이 가해지면 유체는 뼈 기질의 높은 압축 하중 영역에서 멀어진다.[8] 골세포는 뼈에서 가장 풍부한 세포이며, 이러한 기계적 하중으로 인한 유동 흐름에 가장 민감하다.[6] 골세포는 하중을 감지하면 신호 전달 분자 또는 직접적인 접촉을 통해 다른 세포에 신호를 보내 뼈 재형성을 조절한다.[9] 골전구 세포 또한 기계 수용체이며, 하중 조건에 따라 골아세포 또는 파골세포로 분화한다.[9]계산 모델은 기계적 피드백 루프가 기계적 하중 방향으로 잔기둥을 재배열하여 뼈 재형성을 안정적으로 조절할 수 있음을 시사한다.[10]
2. 3. 계산 모델
계산 모델 연구에 따르면, 기계적 피드백 루프는 기계적 하중 방향으로 잔기둥을 재배열하여 뼈의 재형성을 안정적으로 조절할 수 있다.[10]3. 관련 법칙
뼈 재형성은 다음과 같은 생리학적 법칙과 관련이 있다.
4. 뼈 재형성의 예시
뼈 재형성은 일상생활과 스포츠 활동 등 다양한 상황에서 나타난다.
- 테니스 선수는 라켓을 잡는 팔의 뼈가 다른 팔보다 더 강해지는 경향이 있다.[12]
- 역도 선수는 훈련에 대한 반응으로 골밀도가 증가하는 경향이 있다.[13]
- 우주비행사는 무중력 환경에 있으면 골밀도가 감소하는 경향이 있다.[14]
- 어린이의 두개안면 발달에 미치는 사경의 변형 효과가 있다.[15]
4. 1. 테니스 선수
테니스 선수는 라켓을 잡는 팔의 뼈가 다른 팔보다 더 강해진다. 이는 라켓을 잡는 팔에 가해지는 반복적인 높은 스트레스 때문이다. 테니스 선수의 팔에 가해지는 가장 중요한 부하는 서브 시 발생한다. 테니스 서브에는 네 가지 주요 단계가 있으며, 가장 높은 부하는 어깨 외회전 및 공 임팩트 단계에서 발생한다. 높은 부하와 팔의 회전이 결합되어 뼈 밀도 프로파일에 영향을 준다.[12]
4. 2. 역도 선수
역도 선수는 훈련에 대한 반응으로 골밀도가 증가하는 경향이 있다.[13] 이는 뼈에 가해지는 높은 강도의 부하가 뼈 형성을 촉진하기 때문이다.4. 3. 우주비행사
우주비행사는 무중력 환경에 있으면 골밀도가 감소하는 경향이 있다.[14] 이는 뼈에 가해지는 기계적 부하가 줄어들어 뼈 흡수가 뼈 형성보다 우세해지기 때문이다.4. 4. 사경과 두개안면 발달
어린이의 두개안면 발달에 미치는 사경의 변형 효과는 뼈 재형성의 또 다른 예시이다.[15] 사경은 목 근육의 비정상적인 수축으로 인해 머리가 한쪽으로 기울어지는 질환으로, 두개골과 안면골에 비대칭적인 압력을 가하여 뼈 재형성을 유발하며, 이는 두개안면 비대칭을 초래할 수 있다.참조
[1]
뉴스
The Claim: After Being Broken, Bones Can Become Even Stronger . Julius Wolff wrote his treatises on bone after images of bone sections were described by Culmann and von Meyer.
https://www.nytimes.[...]
2010-10-18
[2]
간행물
Wolff's Law and bone's structural adaptations to mechanical usage: an overview for clinicians
[3]
간행물
Who's afraid of the big bad Wolff?: "Wolff's law" and bone functional adaptation
2006-04
[4]
문서
Stedman's Medical Dictionary
[5]
서적
The Law of Bone Remodeling
Berlin Heidelberg New York: Springer
[6]
간행물
Mechanotransduction in bone repair and regeneration
2010-10
[7]
간행물
Mechanotransduction and the functional response of bone to mechanical strain
1995-11
[8]
간행물
Mechanotransduction in bone: do bone cells act as sensors of fluid flow?
[9]
간행물
Boning up on Wolff's Law: Mechanical regulation of the cells that make and maintain bone
[10]
간행물
Effects of mechanical forces on maintenance and adaptation of form in trabecular bone
2000-06-08
[11]
간행물
Bone's mechanostat: a 2003 update
[12]
간행물
The phenomenon of twisted growth: humeral torsion in dominant arms of high performance tennis players.
[13]
웹사이트
Strength training: Get stronger, leaner, healthier
http://www.mayoclini[...]
Mayo Foundation for Education and Medical Research
2012-10-19
[14]
웹사이트
Preventing Bone Loss in Space Flight with Prophylactic Use of Bisphosphonate: Health Promotion of the Elderly by Space Medicine Technologies
https://www.nasa.gov[...]
2015-05-27
[15]
간행물
Craniofacial Bone Grafting: Wolff's Law Revisited.
2008-11
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